JP2011120044A - 冷却型撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子を十分に冷却すると共に撮像素子の撮像面への結露を防止する。
【解決手段】冷却型撮像装置１は、撮像面を有する撮像素子１５と、撮像素子１５を撮像面の反対側の裏面側から冷却する冷却手段１７と、撮像素子１５の撮像面を内部に配置する第１の密閉室１１０と、撮像素子１５の裏面及び冷却手段１７を内部に配置する第２の密閉室１２０と、第１の密閉室１１０と第２の密閉室１２０とを連通する通気孔１１，１２と、通気孔１１，１２を開放及び閉止する開閉部材１９，２０と、開閉部材１９，２０の開閉動作を制御する制御手段２１と、を備え、制御手段２１は、冷却手段１７の冷却動作時は通気孔１１，１２を開放するように、冷却手段１７の冷却動作の停止時には通気孔１１，１２を閉止状態に維持するように、開閉部材１９，２０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却型撮像装置に関する。

撮像素子は、自己発熱や周囲温度の上昇などによって内部温度が上昇すると、暗電流が増加して固定パターンノイズが発生するので、撮像素子をペルチェ素子などで冷却して固定パターンノイズを低減することが知られている。
ところが、撮像素子をペルチェ素子等によって冷却すると、撮像素子の撮像面などに結露が生じ、撮像するべき光学像を劣化させてしまう。
そこで、撮像素子を冷却しつつ、撮像素子の撮像面などへの結露の発生を防止した冷却型撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載された冷却型撮像装置は、撮像装置内の温度と相対湿度とを検出し、ペルチェ素子によって撮像素子を冷却する際の結露発生の有無を温度及び相対湿度の検出結果に基づき判定して、結露の発生が起こりうる場合に、冷却を中止するものである。

特開２００９−１１７９１１号公報

上述した従来の冷却型撮像装置は、結露の発生を防止するために、撮像装置内の温度と相対湿度との検出結果に撮像素子の冷却を中止してしまうので、冷却動作が不十分となり、撮像素子の固定パターンノイズを十分に低減することができない場合があるといった問題があった。

（１）請求項１の発明による冷却型撮像装置は、撮像面を有する撮像素子と、前記撮像素子を前記撮像面の反対側の裏面側から冷却する冷却手段と、前記撮像素子の撮像面を内部に配置する第１の密閉室と、前記撮像素子の裏面及び前記冷却手段を内部に配置する第２の密閉室と、前記第１の密閉室と前記第２の密閉室とを連通する通気孔と、前記通気孔を開放及び閉止する開閉部材と、前記開閉部材の開閉動作を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記冷却手段の冷却動作時は前記通気孔を開放するように、前記冷却手段の前記冷却動作の停止時には前記通気孔を閉止状態に維持するように、前記開閉部材を制御することを特徴とする。

本発明の冷却型撮像装置によれば、冷却動作時には通気孔の開放によって第１及び第２の密閉室が連通し、第１及び第２の密閉室内で冷却手段が最も低温になるので、第１の密閉室内の撮像素子の撮像面に結露が生じることがなく、冷却動作の停止時には通気孔の閉止によって第１及び第２の密閉室の連通が遮断されるので、この場合も第１の密閉室内の撮像素子の撮像面に結露が生じることがなく、よって、十分な冷却動作が可能になり、撮像素子の固定パターンノイズを十分に低減することができる。

本発明の実施の形態に係る冷却型撮像装置の断面図であって、通気孔の開放状態を示す図。 本発明の実施の形態に係る冷却型撮像装置の断面図であって、通気孔の閉止状態を示す図。 図１に示す仕切り壁を示す平面図。 本発明の実施の形態に係る冷却型撮像装置の制御系を示したブロック図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態による顕微鏡用の冷却型撮像装置を説明する。
図１において、冷却型撮像装置１は、横断面が矩形の側壁２と下部の底壁３と上部の底壁４とを有し、これらの側壁２と下部の底壁３と上部の底壁４は、内部空間を有する筐体１００を構成する。筐体１００は、仕切り壁５によって第１の密閉室１１０と第２の密閉室１２０とに区分され、即ち仕切られている。
更に、側壁２の下端部は、下部底壁３から突出しており、その下端面に底板６が取り付けられている。この底板６には、多数の貫通孔７が穿孔されている。

下部底壁３は側壁２と一体に構成されている。また、上部底壁４はＯリング８を介して側壁２に固定されている。上部底壁４のほぼ中央部には開口４ａが形成され、この開口４ａを覆うように、透明窓部材９がビス９ａによってＯリング９ｂを介して取り付けられている。
このように、透明窓部材９は、第１の密閉室１１０が室外の周囲の雰囲気に対して気密性を保持するように、開口４ａに取り付けられている。なお、透明窓部材９は例えば光学フィルタを使用することができる。
こうして、筐体１００の内部の第１及び第２の密閉室１１０，１２０は、外部に対してほぼ気密状態、または密閉状態に保たれる。

上部底壁４には顕微鏡取付用のマウント１０が取り付けられ、撮像装置１はこのマウント１０によって不図示の顕微鏡に搭載され、顕微鏡の観察像を撮像する。

仕切り壁５は側壁２の内周部に固着され、仕切り壁５には、その中央部に中央開口５ａが穿設されていると共に、中央開口５ａの両側にそれぞれ第１及び第２の通気孔１１，１２が穿設されている。
下部底壁３には回路基板１３が、下部底壁３との間に所定の間隙が生ずるように、ネジ１４によって取り付けられている。回路基板１３には、パッケージに収容された撮像素子１５が実装されている。撮像素子１５は、回路基板１３の上面から所定距離だけ離れた状態で、リード線１６によって回路基板１３に取り付けられている。

また、撮像素子１５は、仕切り壁５の中央開口５ａに密嵌され、即ち中央開口５ａとの間に隙間が生じないように配置されている。こうして、撮像素子１５は、その表面、即ち撮像面が透明窓部材９に向き、冷却型撮像装置１が顕微鏡のポートに取り付けられたときに撮像面の中心が顕微鏡の光軸Ｌに一致するように位置決めされる。
撮像素子１５の裏面にはペルチェ素子１７の冷却面が密接、又は密着されている。ペルチェ素子１７の放熱面は放熱部材１８に密接、又は密着している。放熱部材１８は下部底壁３に一体的に突設された放熱突起部から構成され、この放熱部材１８はペルチェ素子１７の熱を吸収するヒートシンクとして機能する。
また、ペルチェ素子１７と放熱部材１８とは、回路基板１３に設けられた開口１３ａを貫通している。
なお、放熱部材１８は、この実施の形態では下部底壁３から一体に突設された放熱突起部として構成したが、このような構成に限られるものではなく下部底壁３に密接された別部品として構成することもできる。

図１乃至図３において、仕切り壁５の下面には、第１及び第２の開閉板、即ち開閉部材１９，２０が設置され、この第１及び第２の開閉部材１９、２０は、それぞれ第１及び第２の通気孔１１，１２を完全に閉止する閉止位置と開放する開放位置との間を、図３に矢印で示すように摺動可能に構成されている。
なお、図１及び図３は、第１及び第２の開閉部材１９、２０が開放位置にある状態を示しており、図２は、第１及び第２の開閉部材１９、２０が閉止位置にある状態を示している。
こうして、第１及び第２の密閉室１１０，１２０は、第１及び第２の開閉部材１９、２０が閉止位置にある時には、それぞれ独立した密閉空間を形成し、第１及び第２の開閉部材１９、２０が開放位置にある時には、互いに連通した密閉空間を形成する。

図４は、冷却型撮像装置１の駆動部と制御部を示したブロック図である。
コントローラ２１は、撮像素子１５の動作及びペルチェ素子１７の動作をそれぞれ制御すると共に、モータ２２の駆動を制御する。モータ２２は、第１及び第２の開閉部材１９，２０をその開放位置と閉止位置との間で移動させる。
もちろん、モータ２２は、第２の密閉室１２０内に配置されている。

次に、第１の実施の形態に係る冷却型撮像装置の動作を説明する。
撮像装置１が起動されると、モータ２２がコントローラ２１の指令により第１及び第２の開閉部材１９，２０を開放駆動し、第１及び第２の開閉部材１９，２０を図１及び図３に示した開放位置に移動させる。これによって、第１及び第２の通気孔１１，１２が開放して第１及び第２の密閉室１１０，１２０を互いに連通させる。
これと同時に、ペルチェ素子１７は、コントローラ２１からの指令に従い、撮像素子１５を裏面から冷却する。この時、ペルチェ素子１７の放熱面の熱は、ヒートシンクとして機能する放熱部材１８によって吸熱されて、下部底壁３に伝熱し大きな熱容量の側壁２に吸収される。

このペルチェ素子１７の冷却動作によって、ペルチェ素子１７の冷却面周辺が、第１及び第２の密閉室１１０，１２０内において、最も低温な部分になる。
従って、第２の密閉室１２０内の空気中の水蒸気は、この最低温度部分、即ちペルチェ素子１７の冷却面付近に結露する。この結露に伴い、第1の密閉室１１０内の空気中の水蒸気は、図１に矢印で示したように、第１及び第２の通気孔１１，１２を通って第２の密閉室１２０に流入し、同様に、ペルチェ素子１７の冷却面付近に結露する。

こうして、ペルチェ素子１７が撮像素子１５をその裏面側から十分に冷却しても、撮像素子１５の撮像面には結露が発生することはないので、撮像素子１５は、固定パターンノイズの発生を十分に抑制して顕微鏡観察像を撮像することができ、極めて良好な撮像信号を出力することができる。

撮像装置１の動作停止時には、コントローラ２１からの指示によって、ペルチェ素子１７がその冷却動作を停止すると同時に、モータ２２が第１及び第２の開閉部材１９，２０を図２に示すように閉止位置に移動させる。この第１及び第２の開閉部材１９，２０の閉止位置への移動によって、第１及び第２の通気孔１１，１２が閉止されて第１及び第２の密閉室１１０，１２０の連通が遮断される。
ペルチェ素子１７の冷却動作の停止によって、ペルチェ素子１７の冷却面周辺の温度は、急激に上昇し、冷却動作時の結露が蒸発し水蒸気となるが、この水蒸気は第１及び第２の通気孔１１，１２の閉止によって、第２の密閉室１２０内に閉じ込められ、第１の密閉室１１０内に流出することはない。

他方、第１の密閉室１１０内の撮像素子１５の撮像面は、ペルチェ素子１７の冷却動作の停止に伴い、徐々に温度上昇するが、上述のように第２の密閉室１２０に発生した水蒸気が第１の密閉室１１０に流入することはないので、撮像素子１５の撮像面に結露が生ずることはない。
なお、冷却動作の停止時に撮像素子１５の撮像面での結露を許容した場合には、その結露がその後に蒸発すると、撮像面に水の蒸発痕跡が残り、その痕跡が顕微鏡観察像を劣化させる恐れがあるので、冷却動作の停止時にも撮像素子１５の撮像面での結露の発生を防止することが望ましい。
撮像装置１は、上述の動作の停止後、比較的早期に撮像動作を再開したい場合にも、撮像面に結露が存在しないので、直ちに再開することができる。

以下に本発明の実施の形態の効果を説明する。
（１）撮像素子は、撮像面などに結露が生じることなく、十分に冷却されるので、固定パターンノイズを十分に低減することができ、良好な画像信号を得ることができる。
（２）第１及び第２の密閉室を連通する通気孔を、冷却動作の開始及び停止に連動させて開閉するという非常に簡単な構成及び制御によって、撮像素子を十分に冷却すると共に撮像素子の撮像面などへの結露を防止することができる。
（３）撮像素子の撮像面での結露防止のために、温度や相対湿度を測定する専用の検出器を必要としないので、冷却型撮像装置の製造コストを低減することができる。

本実施の形態に係る冷却型撮像装置の構成は、上述した通りであるが、次にその変形例を説明する。
本実施の形態にあっては下部の底壁３は、第１及び第２の密閉室１１０，１２０の十分な気密性を確保するために側壁２と一体に構成されているが、上部底壁４と同様に、側壁２とは別部品として、Ｏリングなどを介して側壁２に固着することもできる。
本実施の形態にあっては第１の通気孔１１の幅は、第２の通気孔１２の幅よりも大きく定められているが、両通気孔の幅を同一にしてもよい。
本実施の形態にあっては第１及び第２の開閉部材１９，２０の開閉動作は、モータ２２によって行われるが、このモータ２２による第１及び第２の開閉部材１９，２０の開閉機構は、単一のモータの駆動力を第１及び第２の開閉部材１９，２０にそれぞれ伝達する第１及び第２の伝達機構から構成することもできる。また、第１及び第２の開閉部材１９，２０の各々について、モータと伝達機構とを使用することもできる。
第１及び第２の開閉部材１９，２０の開閉動作の駆動源としては、モータ以外のアクチュエータを使用することもできる。

本実施の形態にあっては冷却素子としてペルチェ素子を使用したが、それ以外の冷却素子を使用してもよい。
本実施の形態にあっては第１及び第２の密閉室１１０，１２０を２個の通気孔１１，１２によって連通したが、通気孔の個数は２個に限られるものではなく、１個でも又は３個以上でもよい。
更に、本実施の形態にあっては冷却型撮像装置は、顕微鏡の観察像を撮像するものであったが、本発明は、この用途に限ることなく、温度上昇に伴う固定パターンノイズの発生を防止することが必要な撮像装置に広く適用することができるものである。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。

１：冷却型撮像装置 １１：第１の通気孔
１２：第２の通気孔 １５：撮像素子
１７：ペルチェ素子 １９：第１の開閉部材
２０：第２の開閉部材 ２１：コントローラ
１１０：第１の密閉室 １２０：第２の密閉室

Claims (5)

1. 撮像面を有する撮像素子と、
   前記撮像素子を前記撮像面の反対側の裏面側から冷却する冷却手段と、
   前記撮像素子の撮像面を内部に配置する第１の密閉室と、
   前記撮像素子の裏面及び前記冷却手段を内部に配置する第２の密閉室と、
   前記第１の密閉室と前記第２の密閉室とを連通する通気孔と、
   前記通気孔を開放及び閉止する開閉部材と、
   前記開閉部材の開閉動作を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記冷却手段の冷却動作時は前記通気孔を開放するように、前記冷却手段の前記冷却動作の停止時には前記通気孔を閉止状態に維持するように、前記開閉部材を制御することを特徴とする冷却型撮像装置。
2. 請求項１に記載の冷却型撮像装置において、
   前記冷却手段はペルチェ素子を含み、
   前記第２の密閉室は、側壁と、前記第１及び第２の密閉室とを仕切る仕切り壁と、底壁とを有し、
   前記底壁は、前記ペルチェ素子に接触して前記ペルチェ素子からの熱を前記底壁に放熱する放熱部材を有することを特徴とする冷却型撮像装置。
3. 請求項２に記載の冷却型撮像装置において、
   前記仕切り壁は開口を有し、
   前記開口には前記撮像素子が、前記撮像面が前記第１の密閉室に臨むように、配置され、
   前記仕切り壁には前記通気孔が穿孔されていることを特徴とする冷却型撮像装置。
4. 請求項３に記載の冷却型撮像装置において、
   前記通気孔は、前記仕切り壁に前記開口を挟むように複数個穿孔されていることを特徴とする冷却型撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却型撮像装置において、
   前記第１の密閉室は、前記仕切り壁と側壁と底壁とから構成され、
   前記第１の密閉室の底壁には、前記撮像面に撮像光束を導く透明窓部材が設けられていることを特徴とする冷却型撮像装置。
   
   

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